in 2021, NASA's nieuwe generatie observatorium, de James Webb-ruimtetelescoop (JWST), naar de ruimte zal gaan. Eenmaal operationeel, deze vlaggenschipmissie gaat verder waar andere ruimtetelescopen, zoals Hubble, Kepler en Spitzer - bleven weg. Dit betekent dat naast het onderzoeken van enkele van de grootste kosmische mysteries, het zal ook zoeken naar mogelijk bewoonbare exoplaneten en proberen hun atmosferen te karakteriseren.

Dit maakt deel uit van wat de JWST onderscheidt van zijn voorgangers. Tussen zijn hoge gevoeligheid en infraroodbeeldvormingsmogelijkheden, het zal in staat zijn om als nooit tevoren gegevens te verzamelen over de atmosfeer van exoplaneten. Echter, zoals een door NASA ondersteunde studie onlangs aantoonde, planeten met een dichte atmosfeer kunnen ook een uitgebreide bewolking hebben, wat de pogingen om enkele van de belangrijkste gegevens van allemaal te verzamelen, zou kunnen bemoeilijken.

Voor jaren, astronomen hebben transitfotometrie (ook bekend als de transitmethode) gebruikt om exoplaneten te detecteren door verre sterren te controleren op dalingen in helderheid. Deze methode is ook nuttig gebleken bij het bepalen van de atmosferische samenstelling van sommige planeten. Terwijl deze lichamen voor hun sterren passeren, licht gaat door de atmosfeer van de planeet, waarvan de spectra vervolgens worden geanalyseerd om te zien welke chemische elementen aanwezig zijn.

Tot dusver, deze methode is nuttig geweest bij het observeren van massieve planeten (gasreuzen en "super-Jupiters") die op grote afstanden om hun zon draaien. Echter, kleiner observeren, rotsachtige planeten (d.w.z. "aardachtige" planeten) die dichter bij hun zonnen draaien, waardoor ze binnen de bewoonbare zone van de ster zouden komen, is de mogelijkheden van ruimtetelescopen te boven gegaan.

Om deze reden, de astronomische gemeenschap heeft uitgekeken naar telescopen van de volgende generatie, zoals de JWST. Door de spectra te onderzoeken van licht dat door de atmosfeer van een rotsachtige planeet gaat (een methode die bekend staat als transmissiespectroscopie), kunnen wetenschappers zoeken naar de veelbetekenende indicatoren van zuurstofgas, kooldioxide, methaan, en andere tekenen die verband houden met het leven (ook bekend als "biosignatures").

Een ander cruciaal element voor het leven zoals we dat kennen, is water, dus handtekeningen van waterdamp in de atmosfeer van een planeet zijn een belangrijk doelwit voor toekomstige onderzoeken. Maar in een nieuwe studie onder leiding van Thaddeus Komacek, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Geofysische Wetenschappen van de Universiteit van Chicago, het is mogelijk dat elke planeet met overvloedig oppervlaktewater ook overvloedige wolken (deeltjes van condenserend ijs) in zijn atmosfeer heeft.

Omwille van deze studie, Komacek en zijn collega's onderzochten of deze wolken zouden interfereren met pogingen om waterdamp te detecteren in de atmosfeer van terrestrische exoplaneten. Vanwege het aantal rotsachtige exoplaneten dat de afgelopen jaren is ontdekt in de bewoonbare zones van M-type (rode dwerg) sterren, zoals Proxima b, naburige rode dwergen zullen een belangrijk aandachtspunt zijn van toekomstige onderzoeken.

Zoals Komack via e-mail aan Universe Today heeft uitgelegd, getijde vergrendelde planeten die rond rode dwergsterren draaien, zijn zeer geschikt voor studies met transmissiespectroscopie - en om een ​​aantal redenen:

"Transporterende planeten die rond rode dwergsterren draaien, zijn gunstigere doelen dan die rond zonachtige sterren omdat de verhouding tussen de grootte van de planeet en de grootte van de ster groter is. De grootte van het signaal in transmissieschalen als het kwadraat van de verhouding van de grootte van de planeet tot de grootte van de ster, dus er is een aanzienlijke boost in het signaal dat naar kleinere sterren dan de aarde gaat.

"Een andere reden waarom planeten die om rode dwergsterren draaien gunstiger zijn om waar te nemen, is omdat de 'bewoonbare zone', " of waar we verwachten dat er vloeibaar water op het oppervlak van de planeet is, staat veel dichter bij de ster... Vanwege deze dichtere banen, bewoonbare rotsplaneten die om rode dwergsterren draaien, zullen hun ster veel vaker passeren, waardoor waarnemers veel herhaalde waarnemingen kunnen doen."

Met dit in gedachten, Komacek en zijn team gebruikten twee modellen in combinatie om synthetische transmissiespectra te genereren van getijde-opgesloten planeten rond M-type sterren. De eerste was ExoCAM, ontwikkeld door Dr. Eric Wolf van Colorado University's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), een community Earth-system-model (CESM) dat wordt gebruikt om het klimaat op aarde te simuleren, die is aangepast om exoplaneetatmosferen te bestuderen.

Met behulp van het ExoCAM-model, ze simuleerden het klimaat van rotsachtige planeten rond rode dwergsterren. Tweede, ze gebruikten de Planetary Spectrum Generator ontwikkeld door NASA's Goddard Space Flight Center om het transmissiespectrum te simuleren dat de JWST zou detecteren vanaf hun gesimuleerde planeet. Zoals Komacek het uitlegde:"Deze ExoCAM-simulaties berekenden de driedimensionale verdelingen van temperatuur, waterdamp mengverhouding, en vloeibare en ijswaterwolkdeeltjes. We ontdekten dat planeten die om rode dwergsterren draaien veel troebeler zijn dan de aarde. Dit komt omdat hun hele dagzijde een klimaat heeft dat vergelijkbaar is met de tropen van de aarde, en dus wordt waterdamp gemakkelijk op een lage druk gebracht, waar het kan condenseren en wolken kan vormen die een groot deel van de dagzijde van de planeet bedekken ... PSG gaf resultaten voor de schijnbare grootte van de planeet in transmissie als een functie van de golflengte, samen met de onzekerheid. Door te kijken hoe de grootte van het signaal veranderde met de golflengte, we waren in staat om de grootte van waterdampkenmerken te bepalen en deze te vergelijken met het onzekerheidsniveau."

Tussen deze twee modellen, het team kon planeten met en zonder bewolking simuleren, en wat de JWST daardoor zou kunnen detecteren. In het geval van de eerstgenoemde, ze ontdekten dat waterdamp in de atmosfeer van de exoplaneet vrijwel zeker detecteerbaar zou zijn. Ze ontdekten ook dat dit kon worden gedaan voor exoplaneten ter grootte van de aarde in slechts 10 transits of minder.

"[W] toen we de effecten van wolken omvatten, het aantal doorgangen dat JWST moest observeren om waterdamp te detecteren, verhoogd met een factor 10 tot 100, " zei Komacek. "Er is een natuurlijke limiet aan het aantal transits dat JWST kan waarnemen voor een bepaalde planeet, omdat JWST een vastgestelde nominale missieduur van vijf jaar heeft, en de transmissie-observatie kan alleen worden gedaan wanneer de planeet tussen ons en zijn moederster passeert."

Ze ontdekten ook dat de impact van bewolking vooral sterk was bij langzamer roterende planeten rond rode dwergen. In principe, planeten met een omlooptijd van meer dan ongeveer 12 dagen zouden meer wolkenvorming aan hun dagzijden ervaren. "We ontdekten dat voor planeten die rond een ster als TRAPPIST-1 draaien (het meest gunstige doel dat we kennen), JWST zou niet genoeg transits kunnen waarnemen om waterdamp te detecteren, ' zei Komacek.

Deze resultaten zijn vergelijkbaar met wat andere onderzoekers hebben opgemerkt, hij voegde toe. Vorig jaar, een onderzoek onder leiding van onderzoekers van NASA Goddard toonde aan hoe bewolking waterdamp ondetecteerbaar zou maken in de atmosfeer van de TRAPPIST-1-planeten. Eerder deze maand, een ander door NASA Goddard ondersteund onderzoek toonde aan dat wolken de amplitude van waterdamp zullen verlagen tot het punt dat de JWST ze als achtergrondgeluid zou elimineren.

Maar voordat we gaan denken dat het allemaal slecht nieuws is, deze studie geeft wel enkele suggesties om deze beperkingen te overwinnen. Bijvoorbeeld, als missietijd een factor is, de JWST-missie kan worden uitgebreid, zodat wetenschappers meer tijd hebben om gegevens te verzamelen. Nu al, NASA hoopt de ruimtetelescoop 10 jaar in bedrijf te hebben, dus een missie-uitbreiding is al een mogelijkheid.

Tegelijkertijd, een verlaagde signaal-ruisdrempel voor detectie zou ervoor kunnen zorgen dat meer signalen uit de spectra worden gehaald (hoewel dat meer valse positieven zou betekenen, ook). In aanvulling, Komacek en zijn collega's merken op dat deze resultaten alleen van toepassing zijn op kenmerken die zich onder het wolkendek op exoplaneten bevinden:"Omdat waterdamp meestal onder het niveau van de waterwolk wordt vastgehouden, de sterke bewolking op planeten die rond rode dwergsterren draaien, maakt het ongelooflijk uitdagend om waterpartijen te detecteren. belangrijk, er wordt verwacht dat JWST nog steeds in staat zal zijn om de aanwezigheid van belangrijke atmosferische bestanddelen zoals koolstofdioxide en methaan in slechts een tiental transits of zo te beperken."

Alweer, deze resultaten worden ondersteund door eerder onderzoek. Vorig jaar, een studie van de Universiteit van Washington onderzocht de detecteerbaarheid en kenmerken van de TRAPPIST-1-planeten en ontdekte dat wolken waarschijnlijk geen significante invloed zullen hebben op de detecteerbaarheid van zuurstof- en ozonkenmerken - twee belangrijke biosignaturen die verband houden met de aanwezigheid van leven .

Dus echt, de JWST heeft misschien alleen moeite met het detecteren van waterdamp in de atmosfeer van exoplaneten, tenminste waar het dichte bewolking betreft. De JWST zou geen moeite moeten hebben om andere biosignaturen op te sporen, wolken of geen wolken. Er worden geweldige dingen verwacht van Webb, NASA's krachtigste en meest geavanceerde ruimtetelescoop tot nu toe, en het begint allemaal volgend jaar.